快速开发支持蓝牙的无线充电可穿戴设备

人们对可穿戴个人电子设备的广泛关注带来了巨大的市场潜力，但开发人员在满足关键的消费者期望方面遇到了重大挑战。 这些需求包括消费者希望可穿戴设备提供更多操作选项和简单的充电选择。 虽然许多现有 IC 能够满足可穿戴应用的各种要求，但在将这些要求整合到一个有效的系统级解决方案方面，设计人员面临着巨大的挑战。 ON Semiconductor 的可穿戴设备开发套件 (WDK1.0) 提供了一种独特的硬件/软件参考设计，展出现来的是一个能够满足可穿戴式产品广泛要求的系统级解决方案。

对于消费者来说，可穿戴设备集物联网 (IoT) 丰富数据可能性与移动电子产品与生俱来的个性化信息于一体。 对于开发人员来说，这些特性的组合推动了一系列有关功能、产品设计和性能特性的复杂要求。 在平台层面，可穿戴设备要求使用多个传感器，以便能够通过无线连接来轻松推送数据。 在产品层面，这些设备必须迎合用户的时尚需求，小巧轻便、外形美观。 在操作层面，这些设备必须实现较高的性能，快速响应用户交互，充电操作简单且不频繁，同时还能够提供扩展服务。

低功耗运行在平衡这些不同需求方面仍然至关重要。 但对可穿戴设计而言，单个低功耗设备的功能和性能很少成为快速开发这些产品的主要障碍。 如今，先进设备的运行功率都极低，同时也提供了许多集成的功能，极大缩减了元器件数量和设计规格。 对于开发人员来说，一个更为紧迫的问题是将最少的补充 IC 整合到一个能够满足广泛需求的设计中。

系统解决方案

目前很少有成熟的公司（创业公司更少）拥有将这些需求快速转化为有竞争力、差异化产品的技能和经验。 ON Semiconductor 的可穿戴设备开发套件 (WDK1.0) 可用于解决这一需求，它向设计人员展示了如何将所需的低功耗 IC 套件组合起来，建立一个完整的、高能效可穿戴应用解决方案（图 1）。

图 1： ON Semiconductor 可穿戴设备开发套件提供了一个完整的可穿戴式多传感器触摸屏设计以及一个相关坞站。 （图片来源： ON Semiconductor）

与智能手表配置类似，可穿戴设备本身也提供触摸显示屏，用于显示设备的集成运动和温度传感器的输出。 对于软件开发，ON Semi 在一个基于 Eclipse 的集成式开发环境 (IDE) 中提供固件和示例应用代码。 此外，ON Semi 还提供相关的移动应用（安卓和 iOS），以便显示从可穿戴设备收集的活动相关信息。

这种可穿戴设备的硬件设计核心是 Nordic Semiconductor nRF52832 MCU，它满足了系统功能的多项职责。 在设备层面，nRF52832 用作传感器和外设的主机。 在软件服务层面，nRF52832 也执行包括通信协议软件堆栈、电源管理和无线充电库的中间件。 最后，nRF52832 运行的软件为用户提供理想的应用层功能。

nRF52832 完全适用设计中的多个角色。 MCU 集成了高性能 32 位 ARM® Cortex®-M4F 处理器内核和多协议 2.4 GHz 无线电，以及 64 kB RAM、512 kB 闪存以及多个模拟和数字外设。 因此，该设备可通过使用低功耗蓝牙 (BLE) 等通信协议配置成支持各种连接的应用。 该设备甚至包含一个 NFC-A 标签，可用于安全地与其他具有蓝牙功能的产品实现带外配对。

32 位 M4F 内核为浮点和数字信号处理指令提供硬件支持。 凭借高效指令与高代码密度的组合，这一 32 位内核让 MCU 能够利用较小代码规模实现较高的软件性能。 例如，即使使用支持的无线电协议栈，通常也会为应用软件提供多至 400 kB 的闪存。

传感器功能

对于片载外设，设备包含一个 20 通道可编程外设互连器件 (PPI) 子系统，无需 CPU 干预即可支持外设操作。 开发人员通过 PPI 通道设置专用 PPI 寄存器，将任务连接到硬件事件。 例如，工程师可以使用该机制让某个外设发生事件，以便在其他外设中触发任务。 除了减少外设间交互的延迟，PPI 子系统通过允许 CPU 处于低功耗模式时进行数据采集等外设操作，有助于减少总功耗。

但对于大多数可穿戴产品来说，应用要求通常推动着对复杂传感器的需求，甚至已经超越了最先进 MCU 中的传感器。 WDK1.0 通过集成 ON Semi 基于 MEMS 的 FIS1100 惯性测量装置 (IMU) IC 及其相关的传感器融合软件，解决了这一需求。 FIS1100 IMU 设备结合的运动传感器包括一个 3 轴陀螺仪和 3 轴加速计、16 位模数转换器 (ADC)，以及一个称为 AttitudeEngin 的运动数字信号处理器。 这种专用引擎可自动以高速率对传感器进行采样，将原始传感器数据转换为所需的运动参数，以便实现更高级别的空间定位应用。

为了生成应用层的定位信息，ON Semi 将 FIS1100 IC 与自己的 XKF3 软件库配对。 XKF3 库提供背景自动校准服务，并包括九轴传感器融合算法，其中算法使用 FIS1100 输出生成四元数格式的定位信息。

正如 WDK1.0 设计所展示的一样，nRF52832 主机和传感器之间的硬件连接可通过任意 MCU 的各种受支持串行接口（包括 SPI、I²C 或 UART）轻松实现。 例如，FIS1100 支持 SPI 和 I²C，因此接口设计十分简单。 FIS1100 通过受支持的 SPI 或 I²C 串行接口连接到主机处理器，传递 XKF3 库使用的四元数运动信息（图 2）。

图 2： 集成式传感器（如 ON Semiconductor FIS1100 惯性测量装置）包含了完整的复杂功能，如运动编码。 （图片来源： ON Semiconductor）

软件执行也同样简单。 nRF52832 主机可轮询 IMU，只需通过 SPI 或 I²C 总线将值 0x0C 写入 IMU 的专用 CTRL9 寄存器，即可采集这些数据。 在 FIS1100 中，CTRL9 寄存器为主机提供了一种机制，可用来启动执行 FIS1100 固件中的预定义功能。 除了用于启动主机主导数据轮询的值 0x0C，CTRL9 协议定义的值还能设置传感器校正值、管理内部 FIFO，以及执行其他配置功能。

除了主机主导的数据轮询，FIS1100 还提供另一种旨在帮助减少总功耗要求的机制。 在这一点，开发人员可在很宽的范围对设备输出数据速率 (ODR) 进行编程。 例如，工程师可将设备四元数运动数据的 ODR 设为低至 8 Hz。

电源管理

WDK1.0 中包含的设备提供了多种功耗节约机制。 例如，除了通过低 ODR 实现功耗节约，FIS1100 还提供“运动时唤醒”功能，使 IMU 在物理活动之间保持低功耗模式。 但在任何基于 MCU 的设计中，MCU 通常是最耗能的设备，因此像 nRF52832 这样先进的 MCU 包含了许多节能特性。 如上所述，nRF52832 的 PPI 子系统使工程师可以在外设操作期间将 MCU 保持为低功耗模式。 事实上，在没有特殊任务需求时，nRF52832 可自动关闭其单个系统块和外设。 同时，MCU 可快速恢复操作，仅需几微秒便可从低功耗模式转换到主动执行状态。

但对于电池供电型设计，电源管理要求超出了节能本身。 这些设计还要求电池充电和充电管理的有效机制。 此外，可穿戴设计还必须为其产品用户提供尽可能简单的充电过程。 在这种情况下，WDK1.0 的有线和无线充电机制解决了这一需求。

在有线充电机制中，可穿戴设备通过顶针式连接器连接到其专用坞站。 在无线充电机制中，可穿戴设备可支持 AirFuel Alliance 的工业标准无线充电协议。 虽然坞站不支持无线充电，但是 ON Semiconductor 发现可穿戴设备可通过任何符合 AirFuel 的充电站进行无线充电。

虽然深入描述 AirFuel 无线充电方式超出了本文的范畴，但其基本机制使用的是人们熟悉的技术。 简而言之，AirFuel 协议在其支持的技术中使用励磁电感，将电力从充电站（电力传输装置或 PTU）传输到可充电设备（电力接收装置或 PRU）。 AirFuel 协议的一个独特之处在于：它使用蓝牙通信进行充电管理监测和控制。

幸运的是，可穿戴设备开发人员无需成为无线充电专家即可使用这一功能。 事实上，nRF52832 MCU 的集成式蓝牙无线电几乎消除了实现这一方法的任何硬件障碍。 在 Nordic Semiconductor 的 nRF5 SDK for AirFuel 中，提供了驱动程序和完整的 AirFuel 协议示例应用。 因此，通过软件控制符合 AirFuel 的无线充电会话十分简单，只要调用一些函数初始化 BLE 堆栈、PRU（可穿戴设备），并启动 PRU 监控进程（表 1）。 底层库提供所需的软件服务和驱动程序来管理符合 AirFuel 的无线充电进程。

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int main()

 {

    APP_TIMER_INIT(APP_TIMER_PRESCALER, APP_TIMER_OP_QUEUE_SIZE, false);

     m_ble_stack_init();

     pru_init(NULL);

 #ifdef DFU_SUPPORT

     // Set up button used for entering DFU mode

     common_hal_buttons_init(PRU_BUTTON_PRESS_LENGTH_DFU_MS, APP_TIMER_PRESCALER);

 #endif

     pru_start();

     while(1)

     {

         #ifdef DEBUG_OUT_ENABLE

         debug();

         #endif

     }

 }

列表 1：如 Nordic Semiconductor nRF5 SDK for AirFuel 的这段应用代码片段所示，开发人员在开始 PRU 进程 (pru_start()) 之前，通过初始化 BLE 堆栈、可穿戴设备 (PRU) 和可选设备固件更新 (DFU)，即可调用运行在 Nordic nRF52832 MCU 上的符合 AirFuel 的服务。 （代码来源：Nordic Semiconductor）

电源方案

复杂的 MCU、不同的 IC 与其自身供电要求的组合，可能会给高效电源管理带来巨大挑战。 再加上需要管理具有有线和无线充电选择的锂离子电池，开发人员很快就会发现可穿戴设计的电源预算比预期的甚至更加紧张。 在 WDK1.0 中，ON Semiconductor 通过一个简单的、最终向系统电源管理 IC (PMIC) 提供稳压电源的电源方案解决了这一问题（图 3）。

图 3：ON Semiconductor 可穿戴设备开发套件使用的是电源方案是，从锂离子电池最终向系统电源管理 IC (PMIC) 提供稳压电源， 从而能够在复杂设计中提供所需的多个电源轨。 （图片来源：ON Semiconductor）

WDK1.0 中所用的系统 PMIC（如 ON Semi NCP6915）为低功耗设备，集成了多个转换器和低压差稳压器以支持多个电源轨。 在 WDK1.0 中，降压-升压稳压器通过可穿戴设备锂离子电池的稳压输出驱动系统 PMIC，从而完成电源方案的电源输出部分。

电源输入侧则解决从有线或无线源向锂离子可充电电池提供可靠电源的需求。 对于锂离子电池管理，WDK1.0 使用 ON Semi NCP1855 电池充电器 IC 和配套的 ON Semi LC709203 电池电量计进行充电管理（图 1 右下方）。 最后，为了给电池充电器供电，该电源方案使用基本电源开关来选择有线或无线充电源。

结论

对于消费者来说，可穿戴式产品提供了用户及其所处直接环境的即时相关信息。 但对于开发人员来说，可穿戴应用提出了一系列特殊挑战。 ON Semiconductor 可穿戴设计套件提供了一套完整的解决方案，帮助克服产品开发过程中遇到的许多障碍。 基于该套件，开发人员可快速创建精密复杂的可穿戴产品，借助无线充电等先进功能来展现独特的产品性能。